重金属离子快速检测技术研究与应用进展

余若祯，王红梅，方征，闫振广，王宏

环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012

目前我国受镉、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm2，约占总耕地面积的1/5;其中工业“三废”污染耕地1000万hm2，污水灌溉的农田面积已达330多万hm2。污水灌溉及废弃物等对农田已造成大面积的土壤污染［1-3］。2009年环境保护部公布了12起重金属污染事件，共导致4035人血铅超标，182人镉超标。当年发生32起由重金属污染引起的群体性事件。我国陕西凤翔、江苏大丰、安徽怀宁、湖南郴州、云南鹤庆、河南济源、四川隆昌、湖南嘉禾、甘肃瓜州、湖北崇阳等地相继出现血铅超标事件［4-6］。重金属污染通过不同的暴露途径对人体健康造成不良影响:1)土壤中的重金属污染物通过食物链进入人体，直接危害人类健康;2)通过影响水体和大气环境间接对人体健康造成威胁。环境样品中重金属离子最可靠、最有效的检测分析方法还是常规的仪器检测方法，包括电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)、原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等。这些方法需要费用高昂的大型仪器设备、专门的实验室、专业的操作技术人员和复杂的样品前处理过程。在突发环境污染事件调查和流域/区域尺度的生态风险调查中，由于区域范围广，需要采集的环境样品数量大，迫切需要高通量的、实时的现场筛查技术。电化学检测技术和生物学检测技术为实现污染现场环境样品中重金属离子的快速定量/半定量检测提供了多种可行的技术手段。

1 电化学检测方法——阳极溶出伏安法

1.1 阳极溶出伏安法的基本原理［7］

20世纪20年代Jaroslav Heyrovsky发明了重金属离子的电化学分析方法——阳极溶出伏安法(Anodic Stripping Voltammetry，ASV)，并于 1959 年为此赢得了诺贝尔化学奖。

ASV法是将待测离子先富集于工作电极上，再使电位从负向正扫描，使其自电极溶出，并记录溶出过程的电流-电位曲线。在一定条件下，曲线的峰高与离子浓度呈线性关系，而且不同离子在一定的电解液中具有不同的峰电位。因此，峰电流和峰电位可作为定量和定性分析的基础。目前ASV法可测定40种以上的元素，能够快速检测样品中浓度很低(10-6mol/L)的金属离子，检测灵敏度高，能满足饮用水水质卫生规范和地表水环境质量标准的检测限要求。由于ASV法所用仪器设备简单、操作方便，在超纯物质分析、环境监测分析中得到了广泛的应用。

1.2 ASV法在环境样品分析中的应用

1996年美国国家环境保护局(US EPA)分别确定了液体样品及提取物中砷(7063)和汞(7472)的ASV标准分析方法［8］。我国《水和废水监测分析方法(第4版)》［7］中收录了“阳极溶出伏安法测定Cd，Cu，Pb，Zn”的方法，但是还没有成为国家或者行业标准分析方法。

目前国内环境监测与研究领域应用较多的便携式ASV检测器是澳大利亚MTI公司的PDV6000重金属测定仪，该产品通过了US EPA认证，可以测定包括水、工业废水、医药品、饮料、土壤及食物提取液等液态样品。检测前需要准备几min，检测只需要20 s～5 min，检测范围4 μg/L～300 mg/L。电极是该仪器最重要的部分，为了获得最佳检测结果，对某一类金属应该使用相应的工作电极和参比电极(表1)［9］。PDV6000可以用于实验室检测，也可以用于野外现场检测。在实验室一般与计算机连接使用，采用软件控制检测过程，检测精度更高。现场检测时，使用镍氢电池供电，但是检测数据只显示在屏幕上而不能保存。

表1 PDV6000重金属分析仪主要技术参数Table 1 Main parameters of PDV6000 portable metal analyzer

1.3 ASV检测设备的研究进展

基于ASV法的重金属传感器技术的测量时间通常是几min，可以满足一般的在线及快速响应要求，因此是重金属现场快速检测技术的重要发展方向之一。但是ASV法因电极的制造成本和使用寿命问题，导致检测费用较高。此外，传统溶出伏安法的工作电极采用液态汞电极、汞膜电极等，分析过程中会析出有毒物质汞，对环境和分析人员造成危害，是该技术的一大弊端。目前的研究多集中在无害、高效、廉价的工作电极材料及结构，如采用炭黑/石墨电极［10-11］、修饰或改性的炭糊/石墨电极［12］、金电极［13］、铋电极［14］、银电极［15］以及廉价的 1，10-氮杂(OP)修饰的黏土层电极［16］等。

Nano-BandTMExplorerII金属分析仪是美国TraceDetect公司引入纳米技术(Nanotechnology)的先进理念研发的新型重金属离子检测仪器。电极由100个0.2 nm×6 nm的纳米带电极组成，累积每块小电极产生的信号以放大信号。纳米带电极与ASV法结合，扣除背景电流，准确测量法拉第电流，有效地提高了信噪比，进一步提高仪器灵敏度。Cu，Zn，Cd和 Pb检测浓度为 100 ng/L，As和 Hg检测浓度为1μg/L。可存储105个测量数据。一般情况下，与ICP-MS的检测结果偏差在10%左右。2006年 4月 TraceDetect公司的 As自动分析仪(SafeGuardTMAutomated Arsenic Analyzer)获得了US EPA的认证［17］。但是 Nano-BandTMExplorerII目前还没有获得US EPA的认证。

石英微天平分析仪(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是一种质量感测设备，它能够在石英晶体上实时地测量极微小的质量变化，灵敏度为0.001μg。Weiss等采用QCM技术，结合ASV法检测液态样品中的重金属离子。将电极连接到电源的负极上，电流可以将重金属离子沉积在石英晶体微天平表面，由电极电压和适当的金属电化学系列决定沉积到电极上的金属类型。金属沉积导致QCM传感器的谐振频率降低。相反的电流引起最初沉积的金属逐渐溶出导致传感器谐振频率的增加。QCM的灵敏度非常高，离子浓度测量分辨率可能低于50μg/L。研究表明，QCM可以分辨Cu2+和Ni2+，定量检测范围为50 ～10000 μg/L［18］。唐国林等也开展了基于QCM技术的重金属离子检测技术研究，建立了一种纳米金信号增强压电示金属检测方法，并用该方法对溶液中的 Cu2+，Cd2+，Hg2+，Pb2+和Co2+等进行了检测，结果表明，检测方法便利、易于实现，且检测的灵敏度较高［19］。

2 生物学检测方法

2.1 重金属离子的免疫检测技术

免疫检测技术以其特有的专一性、灵敏性、低成本、实时快捷等特点，已经在环境有机污染物、生物毒素和微生物监测研究等领域取得一定进展，并且已有标准化的产品。US EPA用于评价固体废物的理化测试方法(Test Methods for Evaluating Solid Waste，Physical/Chemical Methods，简称 SW-846)4000系列现行的16个生物分析筛查标准方法中有13个免疫学方法，正在开发的4个生物学监测分析方法均为免疫学检测分析方法。检测的污染物包括二口恶英、多氯联苯、多环芳烃、石油烃、农药类、炸药类和重金属［8］。目前我国标准分析方法体系中仅有水中微囊藻毒素的免疫检测分析方法。

1985年Reardan等首次开展重金属-螯合物抗原研究，并分离出相应In3+的特异性抗体，开启了重金属免疫检测技术研究的先河［20］。国内外研究人员开展了广泛的研究，研制出越来越多的抗Hg2+，In3+，Cd2+和Pb2+等金属-螯合剂复合物抗原，获得了以上重金属离子的特异性抗体，建立了相应的重金属离子免疫检测方法，并对抗体和抗原的亲和力的研究也有一定报道［21-23］。目前市场上用于食品检测的重金属离子快速检测试剂盒有铅、砷、汞、铬、镉，一次可以检测50个样品，每个样品检测成本为3～4元人民币［24］。

环境样品因其成分复杂、干扰较多，其中的重金属离子免疫检测方法的研究开发具有一定的难度。US EPA从1995年开始支持重金属的定量免疫检测(Quantitation of Heavy Metals by Immunoassay，EPA Grant Number:R824029)研究工作。其中 US EPA标准检测方法4500为土壤中汞的免疫检测(Mercury in Soil by Immunoassay)，于1998年颁布。Blake等承担的水和土壤中铅的免疫检测方法(Lead in Water＆ Soil by Immunoassay，4510)仍然处于研发之中。与此同时也有许多基于免疫检测技术的重金属离子免疫传感器的研究。Blake等用一种计算机控制的流式荧光计(KinExA)检测样品中的Cd2+，Co2+，U6+和 Pb2+，其检测精度与 ICP-MS 相当，但鲜见应用于现场检测的报道［25］。虽然国内外科技人员在该领域的研究工作已取得一定进展，然而以免疫检测为核心的环境重金属离子检测技术研究尚处于起步阶段，至今仅有土壤中汞的免疫检测试剂盒，其他重金属离子的环境样品检测试剂盒或传感器等仍无标准化产品。

2.2 重金属离子的DNA检测方法

功能脱氧核糖核酸(Functional DNA)包括DNA酶(Catalytic DNA或Deoxyribozyme或DNAzyme)和DNA适配子(aptamer)两类。基于功能DNA原理，结合纳米材料或者电化学发光/荧光技术的电化学传感器是当今一个研究热点。DNA酶(DNAzyme)是通过体外筛选技术(SELEX技术)得到的具有酶活性的小分子单链DNA，在特定辅酶存在下具有催化作用，其酶活性与某些金属离子密切相关。DNA适配子是具有对特定靶物质有特异性亲和力的特定DNA序列。

DNA酶具有易于合成和修饰、稳定性好及对环境污染小等特点，其在金属离子检测中的应用备受关注［26］。通过分光光度计采集荧光信号，可以实现μg/L数量级的 Pb2+检测［27］。Xiang等报道了一种检测Pb2+的荧光生物传感器。在DNA链中引入dSpacer位点建立非标记的功能DNA传感系统。荧光分子ATMND可以特异性地与dSpacer位点结合，形成荧光猝灭的初始状态。当DNA酶或DNA适配子与相应的分析物 Pb2+发生作用，则会破坏dSpacer位点处的DNA双链结构，从而释放出荧光分子ATMND，产生显著的荧光增强信号。Pb2+的检测限为 4 nmol/L［28］。

戈芳等通过自组装方法将修饰有二茂铁基团的富T序列DNA分子(DNA-Fc)固定在金电极表面，得到一种基于DNA修饰电极的电化学Hg2+传感器。溶液中的Hg2+可与修饰电极上DNA的T碱基发生较强的特异结合，形成T—Hg2+—T发卡结构，使DNA分子构象发生改变，其末端具有电化学活性的二茂铁基团远离电极表面，电化学响应随之发生变化。Hg2+浓度为0.1 nmol/L～1μmol/L时，电流相对变化率与Hg2+浓度的对数呈良好的线性关系。该修饰电极对Hg2+的检测限为0.1 nmol/L，可作为痕量Hg2+检测的电化学生物传感器［29］。

Xue等报道了室温下测定Hg2+的比色分析方法。该系统采用了低浓度时寡核苷酸和纳米粒子(Nanoparticles，NPs)结合，当水溶液中存在过量其他金属离子时，也能检测到Hg2+。采用人工合成的具有金属依赖性的碱基片段替换天然DNA碱基，可以用于检测其他金属离子。在Hg2+的快速筛查中，通过蒸发预浓缩前处理或用耦合信号放大等方法，可以达到US EPA饮用水检出限10 nmol/L［30］。

基于功能DNA的重金属离子检测传感器还处于研究阶段，还没有产品化的检测设备，但是该技术具有广阔的应用前景。

3 结论

在突发性环境污染事件应急调查和环境生态风险评价的筛查阶段，环境样品中的重金属离子快速检测分析可以采用ASV法和生物分子检测法。ASV法可以同时检测多种重金属离子，检测灵敏度和准确性高，但是检测成本较高，检测过程中伴随着微量的汞污染。随着纳米技术和QCM技术的引入，ASV法的检测成本有望大幅降低。免疫检测法具有高通量、高特异性和低成本的特点，但是只有标准化的汞离子免疫检测方法，其他重金属离子的免疫检测方法如何应用于环境样品的检测还有待进一步研究。免疫检测传感器的研发将拓展重金属离子的免疫检测技术的应用空间。重金属离子的功能DNA检测技术为环境样品中重金属离子的光生物检测传感器研究提供崭新的应用前景。

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